(优选)简单控制系统的设计

6.2.2被控参数与控制变量的选择 6.2.2.1被控参数的选择
被控变量—生产过程中希望借助自动控制保 持恒定值（或按一定规律变化）的变量。
合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达 到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。
被控变量的选择依据： 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关 键变量作为被控变量
过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工 程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等 四个主要内容。
其中控制方案设计是控制系统设计的核心。
3. 过程控制系统设计的步骤 1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求 2）建立被控过程的数学模型 3）确定控制方案
包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程 控制系统设计的关键步骤。 4）控制设备选型 5）实验（或仿真）验证
()
1
1 K0Kc
;ef
()
Kf 1 K0Kc
❖ K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；
❖ K0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏， 系统的闭环稳定性越低。
❖ Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。 故应选放大系数大的变量作为控制变量。
2．过程（通道）动态特性对控制品质的影响
1）干扰通道动态特性对控制品质的影响
影响变量
被控变量
对象特性对控制品质影响的分析：
1．过程（通道）静态特性对控制品质的影响 如图所示为单回路控制系统的等效框图。
X(s) ＋－
Gc(s)
Go(s)
Gc(s) —控制器的传递函数；
F(s)
Gf(s) ＋ ＋
Go
(s)
Ko Tos 1
Y(s) Gc (s) Kc
G
f
(s—甲苯
苯 甲苯
只好在与馏出物的 纯度有单值关系的工艺 参数中，找出合适的变 量作为被控变量，进行 间接参数控制。
经工艺分析发现， 塔内压力和塔内温度都 对馏出物纯度有影响。 需要对二者进行比较试 验，选出一个合适的变 量。
间接控制参数的确定 经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力 和温度有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样） 从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。
控制通道
X(s) ＋－
Gc(s)
F(s)
Gf(s)
＋
Go(s) ＋
Y(s)
将 Y (s) G0 (s)Gc (s) X(s)
Gf (s)
F (s)
1 G0 (s)Gc (s)
1 G0 (s)Gc (s)
代入系统偏差公式中：
E(s) X(s) Y (s)
E(s)
=
1
+
Gc
1 ( s )G o
(s)
1 X (s) =
1 + Gc (s)Go ( s)
To s + 1 (To s + 1) + K o K c
X (s)
E
f
(
s)
=
-
1
+
Gf Gc (
(s) s)Go
(s)
F
(s)
=
-
K f (To s + 1)
F(s)
(Tos + 1)(Tf s + 1) + Ko Kc (Tf s + 1)
ex
例1 储槽液位控制系统 工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统 就应以储槽液位为被控变量。
LT
LC
h
例2 换热器出口温度控制系统 工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系 统就应以出口温度为被控变量。
载热介质
冷物料
热交换器
TC TT 热物料
2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时， 应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺 参数作为被控变量。
Go(s) —广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；
Gf(s) —扰动通道的传递函数。
被控参数y(t)受到设定信号x(t)和干扰信号f(t)的
共同影响：
干扰通道
Y (s) G0 (s)Gc (s) X(s) Gf (s) F (s)
1 G0 (s)Gc (s)
1 G0 (s)Gc (s)
3、被控变量必须有足够大的灵敏度
被控变量必须灵敏，容易被测量。
4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性 上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考 虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的 被控变量。
上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设 置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采 用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔 顶或塔底一端的产品质量。
6.2.2.2控制变量选择
把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制 作用的变量称为控制变量或操纵变量。最常见的操 纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操 纵变量的。
TT
LC
h
控制变量的确定 被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出 所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是 可控的，有些是不可控的。 在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控 变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量； 其它未被选中的因素则视为系统的干扰。
X
(s)1
+
Gf (s) Gc (s)Go
(s)
F
(s)
=
Ex
(s)
+
Ef
(s)
可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函
分母是一样G的o (。s将) Gc(Ts)o、Ks Gc ( s ) Kc
oGo(s)代入：
1
G
o
(
s
)
Gf (s)
Kf
Gc ( s )
K
To s Kc
o
1
Ex (s) =
例3 化工的精馏物纯 度控制系统
苯
精馏工艺是利用被分
苯—甲苯
离物中各组分的挥发温度
不同，将各组分分离。
如图将苯—甲苯混合
液进行分离。
甲苯
苯—甲苯
苯 甲苯
该精馏塔的工艺 要求是要使塔顶（或塔 底）馏出物达到规定的 纯度。按照被控变量的 选择原则1，塔顶（或 塔底）馏出物的组分应 作为被控变量。
但是，没有合适 的仪表在线检测馏出物 的纯度，则不能直接作 为被控变量。
Yf
(s)
1
Gf (s) Gc (s)Go
(s)
F(s)
(Tos
K f (Tos 1)(Tf s 1)
1) KoKc
(Tf
s
1)
F
(s)
干扰通道的惯性因子（Tf s+1）使干扰作用的 影响缓慢。
❖ Tf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有 利于控制。
❖ 干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远， 则Tf 越大，控制时最大偏差越小。
过程控制系统与仪表 第6章
（优选）简单控制系统的设计
控制系统原理方框图
给定值
控制器 ＋－
操作量
执行器
干扰 被控变量
对象
测量变送器
fi
x
u
y
Gc(s)
Gv(s)
Go(s)
Gm(s)
6.2简单控制系统设计 1. 过程控制系统方案设计的基本要求
生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为 安全性、稳定性和经济性三个方面。 2. 过程控制系统设计的主要内容